DIC技術用于橡膠材料拉伸全場應變測量

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石油是地質勘探的主要對象之一，被稱為“工業的血液”。在石油鉆采的整個過程中，化工生產中，需用到彈性好、耐磨損的橡膠材料，例如封隔器、密封圈等。在石油化工生產中，橡膠密封圈裝置與設備是保證安全生產和長周期運行的重要基礎保障。

橡膠作為密封材料，若在使用時密封壓力超過其載荷范圍，會致使橡膠密封圈零件變形，給裝置密封效果帶來一定的負面影響，泄漏量也會隨著壓力變化而變化。為了保證橡膠材料的載荷能滿足工程需要，需對其力學性能進行分析，不斷改進材料性能，促進石油化工事業的持續發展。

一、測量需求

通過大變形拉伸實驗，研究橡膠材料在拉伸應力作用下的變形情況，結合試驗的方法對橡膠材料與金屬材料的抗拉力學性能，結合有限元分析和實驗結果，對特殊材質橡膠拉伸發生的應力、形變和位移進行測量，為提高橡膠材料綜合力學性能提供數據依據。

二、原有檢測方法

原有解決方案

傳統的位移和應變檢測方法往往采用引伸計與應變片等接觸式方法進行，精度較高，但應變片需直接粘貼于式樣表面，并通過接線的方式與采集箱連接，使用繁瑣，且量程有限。

原有方案不足

如若針對于橡膠類材料的拉伸實驗，由于材料本身的特殊性，不易黏貼應變片，再加之橡膠拉伸變形大，普通的引伸計和應變片量程不足，無法滿足測量要求。

三、新拓的DIC測量方案

橡膠材料屬于超彈性體，是不可壓縮且具有高度非線性的復合材料，應力-應變曲線不呈線性變化，其力學性能和物理屬性完全不同于金屬材料，具有復雜的本構關系，難以用確切的力學模型進行描述。

采用新拓三維XTDIC三維全場應變測量系統，可實現非接觸式的位移、應變測量，從試驗數據處理上，對材料的彈性力學性能進行研究，XTDIC系統在材料拉伸過程中同步進行數據采集，利用XTDIC分析軟件進行全場位移和應變的分析。

本次測試為橡膠類拉伸，考慮到式樣小且變形量大，故采用像素高達1200萬（4096pixel*3000pixel）的工業相機。設置工業相機1秒23幀的采樣速率，試驗機與工業相機同步開啟，直至試樣斷裂，完成整個拉伸過程的采集。

1.金屬試件拉伸測試

金屬材料拉伸測試是金屬強度值的常用方法，通過分析金屬材料拉伸的應力-應變數據，可獲得金屬材料在不同階段所體現的力學性能特征，以便于更好地掌握金屬材料的載荷能力。

被測試樣為帶有預制孔的金屬材料，通過XTDIC系統軟件計算獲得金屬材料的位移場：

通過XTDIC系統軟件計算區域內各點的位移，然后再根據全場位移計算得到被測金屬材料的應變場：

2、特殊材質橡膠試件拉伸測試

石油化工對橡膠材料橡膠產品的使用壽命、品質要求嚴苛，對橡膠拉伸性能的考察就成為了橡膠質量好壞的一項重要指標。通過特殊材質橡膠拉力測試，可分析材料的力學性能，如伸長量、應力、應變、破壞值等。

由于橡膠材料的不均勻性，使負載分布不均勻，應力集中形成局部斷裂點，同時生成微裂縫；微裂縫聚集成大的主裂縫，從而引起最終的斷裂。采用XTDIC系統軟件對采集圖像和目標圖像進行分析，輸出被測橡膠試件的變形位移場：

對待測試件的位移場數據進行自適應平滑處理，對平滑處理后的位移場進行差分處理輸出高精度應變場：

基于試驗機拉伸載荷數據，XTDIC系統通過計算載荷和原始面積、伸長和原始標距，得到應力-應變曲線：

3.方案價值

在材料數值模擬中，由于特殊體質橡膠材料特性具有不確定性，在相同結構模型的兩個樣本上測試，可能顯示出各異的動態行為。另外，在特殊體質橡膠和金屬材料的拉伸性能測試中，可以看出橡膠材料的彈性特性相比金屬材料有著明顯優勢。

試驗實測數據與預測結果基本吻合，新拓三維XTDIC全場應變測量系統適用于測量材料拉伸大變形測量，系統配置工業相機精度足夠高，可以測量細小體積材料的大變形，通過對比有限元數值模擬和DIC的數據結果，來修正數值模型數據，以達到在石油化工所涉及橡膠制品的技術參數、工藝性能需求。